新型水-氣分散體系提高低滲透油藏采收率的實驗研究

葛 羅

(大慶油田有限責任公司第六采油廠第六作業區，黑龍江 大慶 163114)

我國各大油田擁有豐富的低滲透率儲層分布[1]。但由于其儲層滲透率低、非均質性嚴重、自然產能不足、含油飽和度低、儲層敏感性嚴重，導致低滲透油藏的平均采收率較低。為解決低滲透油藏注水開發與注氣開發各自存在的問題[2-3]，將水驅和氣驅兩者相結合，充分發揮各自的特點和優勢的驅替技術應運而生。以水氣兩相體系為基礎的非均相驅替劑已經積累了一些研究和應用成果，目前已形成如水氣交替注入(WAG)、水氣同注(SWAG)、活性水與氣交替注入(SAG)等技術，逐步成為提高采收率的有效途徑[4]。王杰祥等[5]通過室內實驗論證了水驅后轉空氣泡沫提高采收率在特低滲油藏的應用可行性，但泡沫驅在低滲透油藏的實際應用鮮有報道。氣水交替雖然應用廣泛，可是仍然存在一些弊端，如在氣水交替注入的過程中，容易在切換的過程中出現注入困難的現象，以及對注入氣流度控制能力不足等[6]。水氣同注出現較晚，研究也相對較少，雖然該技術可以一定程度上克服氣水交替注入的缺點[7]，但也同時存在注入困難的問題，且無法適應超低滲油藏。

針對現存水氣非均相驅油技術和方法存在的缺點，基于兼顧注入性和流度控制能力的思路，本工作對一種能擴大低滲透油藏波及體積，從而提高采收率的水-氣分散體系展開研究，探索了該體系的制備方法，并進行了滲流阻力的動態測試和提高采收率能力實驗。

1 實 驗

1.1 主要材料和儀器

輕質原油，密度0.86 g/mL，黏度(45 ℃)24.1 mPa·s，大慶油田；地層水，礦化度6 777 mg/L，大慶油田；巖心，長6.5 cm，直徑2.5 cm，巖心孔隙度范圍在10%～20%，滲透率(0.1～10)×10-3μm2，自制。表1給出了實驗用巖心參數，其中巖心R01～R04用于滲流阻力測試，巖心D01～D03用于驅油實驗。

表1 實驗巖心參數

CS200A氣體流量控制器，北京七星華創電子股份有限公司；HAS-100HSB恒壓恒速泵，江蘇海安科研儀器公司；HT-102G恒溫箱，江蘇海安石油設備有限公司；KL10壓力采集系統，昆侖海岸公司。

1.2 水-氣分散體系的制取

水-氣分散體系是液相水以小液滴形態作為分散質，氣體作為分散劑形成的分散體系。水-氣分散體系的生成方法有凝集法、流化床法、機械分散法等[8]。本實驗應用自主設計制作的蒸發冷凝式水-氣分散體系發生器(圖1)，依據霧化法[9]產生水-氣分散體系。

圖1 水-氣分散體系發生器示意

蒸發冷凝式水-氣分散體系發生器分散劑為高純氮氣，分散質為去離子水。氮氣和去離子水分別通過管線，經過電加熱器進行充分加熱，在達到預設的一定溫度后，其中的去離子水在高溫下變成水蒸氣，得到的水蒸氣再和氮氣混合，進入到后滿的混合腔進行加入，經由加熱套保持溫度，由活塞式一體配氣混合器充分進行動態配氣(槳葉和混合腔內壁涂有疏水材料)，混合流體經過冷凝管線(溫度、管徑、長度可調)從出口流出。

1.3 室內實驗流程

滲流阻力測試在45 ℃條件下，對干燥巖心施加圍壓，以一定氣體流速進行氮氣驅，至驅替壓差ΔP1穩定不變，之后以一定的水氣比注入水-氣分散體系段塞1.0 PV，之后仍然以氣體流速進行后續氣驅直至驅替壓差ΔP2穩定。ΔP2與ΔP1的比值即滲流阻力因子。分別改變巖心滲透率、水-氣分散體系水氣比以及分散體系發生器的設定溫度，測量不同變量下的滲流阻力因子。

優化水氣比和溫度下的驅油實驗。在45 ℃條件下，對巖心夾持器中的干燥巖心施加圍壓，抽真空后飽和地層水，測量孔隙體積和孔隙度；飽和原油并老化72 h；開始驅油，先以一定速度進行氮氣驅，至出口測量氣體流量和入口設定氣體流量相近，且出口端不再出油為止；再以設計水氣比注入水-氣分散體系段塞1.0 PV，而后進行后續氣驅至出口測量氣體流量和入口設定氣體流量相近，且出口端不再出油為止。記錄實時壓力、溫度、入口氣體流量、產出液體積、出口氣體流量。

滲流阻力測試和驅油實驗的流程近似，可以用相同的流程圖(圖2)描述。

圖2 滲流阻力測試和驅油實驗流程

2 結果與分析

2.1 水-氣分散體系的性質

由于制取的水-氣分散體系不穩定，需要隨時生成隨時注入。對于生成的水-氣分散體系的性質，可以利用化學熱力學原理加以研究和理解。式(1)為Clausius-Clapeyron方程的定積分式[10]，式(2)為液體蒸發焓與溫度的關系式，式(3)為真實氣體狀態方程。

(1)

(2)

(3)

在已知當前溫度、壓力的條件下，利用上述公式可以計算水-氣分散體系中水分別以液體狀態和蒸汽狀態存在的物質的量，并且為研究水-氣分散體系性質和狀態的動態變化規律提供依據。

文獻[11]利用電子探針技術觀察了初始冷凝液滴的粒徑分布和核化生長規律，初始冷凝液滴的尺寸大小分布在3～7 nm，而后氣態水分子在初始冷凝液滴上發生團聚，逐漸長大至微米級。本實驗采用蒸發冷凝方法制備水-氣分散體系，方法與文獻描述相似，其冷凝液滴的初始尺寸和團聚規律相同。因此實驗制取的水-氣分散體系，其分散質即液滴態的水的初始粒徑為納米級，隨著冷凝的進行，團聚發生，液滴逐漸長大到微米級。

2.2 滲流阻力

實驗表明，水-氣分散體系發生器需要滿足的設定溫度范圍是高于當前壓力下水的沸點15～20 ℃。當加熱溫度小于等于沸點時，注入水無法蒸發而分散到氣相中，或者少部分蒸發后凝結的小液滴迅速回流回到發生器的加熱腔中；當加熱溫度稍高于沸點，氣體狀態的水分子在從發生器到巖心夾持器的通道中發生迅速的冷凝和團聚，無法維持分散狀態，形成水段塞，壓力曲線出現陡增，呈現出水氣同注的特點；當加熱溫度高于沸點15～20 ℃時，小液滴可以較好地分散在氣流中，形成分散體系。由于在注入水-氣分散體系段塞的過程中，壓力處在不斷變化之中，所以需要依據實際的壓力情況調整加熱溫度，維持分散態。

分散體系的水氣比、滲透率與阻力因子的值存在一定的關系，各滲透率下不同水氣比與水-氣分散體系阻力因子關系如圖3所示。

圖3 不同滲透率下水/氣(體積比)與阻力因子的關系

為了保證分散的效果和注入性，水-氣分散體系的水氣比不超過0.2。由于水滴會在巖心孔道中不斷堆積，因而壓力也會隨著液滴的累積而不斷升高，所以測試滲流阻力的注入段塞尺寸以1 PV為限。隨著水氣比的提高，水-氣分散體系的阻力因子逐漸升高；隨著滲透率的升高，水-氣分散體系的阻力因子逐漸升高。說明該水-氣分散體系對于氣體流度的控制能力隨著巖心滲透能力的增強而增強，并且針對低滲透、超低滲透率儲層也有明顯的封堵效果，可以起到降低流度的作用。

圖4為氣驅后注入分散體系或注水的壓力曲線。由圖4可見，巖心滲透率為0.1×10-3μm2，在注氣壓力平穩之后注入水-氣分散體系段塞，出口氣體流量明顯下降，注入流體壓力上升，且后續氣驅過程中壓力維持狀況良好，并且在后續氣驅過程中沒有發生氣竄。可見該水-氣分散體系具備良好的封竄效果，能夠有效控制氣體竄逸從而維系注氣壓力。為降低實驗不確定度，回收上述巖心，干燥72 h后，在相同實驗條件下進行氣驅，后轉注水，注水壓力陡然升高，遠遠高于注水-氣分散體系的壓力，注入困難。以上現象說明水-氣分散體系的注入性好于水氣交替，在保證注入性的同時還可以有效提高滲流阻力，封堵氣竄。

圖4 氣驅后注入分散體系或注水的壓力曲線

2.3 提高采收率效果評價

在注入水-氣分散體系的水氣比為0.15，段塞尺寸1.0 PV條件下。評價了該水-氣分散體系提高采收率的能力，結果見圖5。

由圖5可見，隨著滲透率的增大，氣驅采出程度逐漸降低，說明因天然巖心存在微觀非均質性，對滲透率越高的巖心，注入氣體越容易通過半徑較大的孔隙喉道竄逸，這是低滲透非均質巖心氣驅波及效率低下的表現。當注入水-氣分散體系后，提高采出程度隨著滲透率的增大而升高：滲透率為0.1×10-3μm2的巖心，分散體系提高采出程度3.70%，滲透率1.2×10-3μm2的巖心，分散體系提高采出程度5.48%，而當滲透率增大到4.5 ×10-3μm2時，采出程度則提高了8.42%。以上結果同時也印證了滲流阻力測試實驗所得出的規律，即該水-氣分散體系能夠有效阻止氣竄，且對于氣體流度的控制能力隨著巖心滲透能力的增強而增強。

圖5 不同滲透率下采出程度

2.4 提高采收率機理分析

通過室內實驗制得的水氣為分散體系可以在宏觀尺度上對氣竄進行封堵，改善試驗中的注入相黏度，控制注入氣體的流度，從而起到擴大波及體積、提高采收率的效果。

根據前文所述，分散在氣體之中的初始冷凝液滴尺寸多分布在3～7 nm之間。根據露頭巖心壓汞曲線得到的巖心孔隙半徑、低滲透率以及超低滲透率的巖心的孔隙度如表2所示。由表2可見，孔隙半徑普遍在40～600 nm，這要遠遠大于初始液滴的尺寸，因此液滴可以進入到目標巖心的微小孔隙之中。

表2 低滲透巖心孔隙尺寸

水-氣分散體系注入巖心之后，主要以小液滴和水蒸氣的形式存在，在微小孔喉中運移的過程會導致水滴碰撞，發生聚并，另外也存在水蒸氣附著在液滴上，使其長大；長大后的小液滴可能會因為尺寸過大而留在孔隙內，也可能會因為比重比氮氣高而吸附滯留在孔隙之中，也可能因為巖石表面的親水性而滯留在孔隙內。若形成滯留，后續的氣流壓力就會升高，就可以阻斷優勢通道，達到深部氣流轉向，擴大波及體積的作用。

3 結 論

a.利用自制蒸發冷凝式水-氣分散體系發生器制取了水-氣分散體系，分散質小液滴的初始半徑為3～12 nm。調整合適的溫度和水氣比，向低滲透巖心注入水-氣分散體系可以成功封堵氣竄，提高滲流阻力因子數倍至數十倍，該體系可以在保證良好的注入性的同時控制氣體流度，擴大波及系數。對于外壓存在下分散質的數密度和沉降速率有待于進一步研究。

b.室內驅油實驗結果表明，對滲透率在(0.1～4.5)×10-3μm2的儲層，水-氣分散體系可提高采出程度在3%～10%，并且巖心的滲透率越高，其可以達到的擴大波及體積效果越好，從而提高最終采收率。

c.水-氣分散體系的提高采收率機理為：氣流攜帶小液滴和水蒸氣進入巖心孔隙中的優勢通道，在優勢通道中，小液滴和水蒸氣形成滯留，阻礙后續的氣流進入，使得氣流轉向，從而起到擴大波及體積，提高采收率的作用。